朱俞仿

（中国恩菲工程技术有限公司 北京 100038）

1 引言

尾矿库作为矿山生产过程中重要的安全环保设施，主要堆存选矿厂提取精矿后产生的尾矿，其重要性不言而喻。随着国家安全环保标准越来越严格，新建尾矿库选址要求越来越高，选址难度越来越大，符合各项要求的尾矿库库址往往距选矿厂较远，有的甚至在数十公里以外。尾矿输送管道是布置在矿山选矿厂与尾矿库之间，专门用来输送矿浆的管道。在当前形势下，作为经济性最好的尾矿输送方式，尾矿管道输送就显得尤为重要。虽然管道输送的尾矿浆一般都在常温条件下，管道内外部温度变化不大，但是由于尾矿输送管道往往都是野外沿地表敷设，随着昼夜温差以及季节温度的变化，管道将发生温度变形，如果在设计建设过程中不进行温度补偿，将对管道正常运行使用造成重大安全隐患，严重时可能造成管道结构破坏以及尾矿渗漏的重大环保事故。因此，在尾矿输送管道工程中，管道温度补偿是不可忽视的环节，不同管材的温度补偿方式的适应性分析，对以后尾矿管道输送工程实践也具有一定的指导意义。

2 不同管材的温度伸缩量

由于管道输送的尾矿浆体为固液两相流，通过一定的流速进行输送，在输送过程中，固体颗粒对管壁会有一定的磨损，因此，尾矿输送管一般选用耐磨性较好的高强钢管、内衬耐磨钢管（包括内衬铸石、内衬陶瓷、内衬橡胶、内衬高分子材料等）、钢骨架管（钢骨架尼龙、钢骨架HDPE）、纯尼龙管、纯HDPE管等。不同的管材热胀冷缩的性质是不一样的，也就是说在外界温度变化的条件下，不同管材变形大小不一样。线膨胀系数是表征一般指由于外界温度变化时，管材的线性尺寸随温度变化率的指标参数。不同的管材有不同的线膨胀系数。根据线膨胀系数能够准确计算出在相应温度变化下、相应管线长度的温度变形量。其计算公式如下：

上式中，ΔL为管材变形长度，单位m；L为直线段管线长度，单位m；α为管材的线膨胀系数，单位1/℃；tmax为该地区管壁所能达到的最高温度，单位℃，当矿浆温度高于上述温度时，取矿浆温度；tmin为该地区的绝对最低温度，单位℃。

为了比较不同管材的温度伸缩量，根据式（1）对其进行计算，为了便于比较，直线的管线长度取100m，根据中国大部分地区实际情况，tmax取40℃，tmin取-10℃。据此，对不同线膨胀系数的钢管（包括高强钢管与耐磨钢管）、钢骨架管、尼龙管以及HDPE管的温度伸缩量进行计算，计算结果见表1所示。

表1 不同管材的温度伸缩量计算结果

根据表1计算结果，不同管材温度伸缩量相差较大，钢管温度伸缩量最小，HDPE管温度伸缩量最大，两者相差10倍以上。因此，应针对不同的尾矿输送管，选择适当的温度补偿方式。

3 管道伸缩温度补偿方式选择

管道温度补偿方式主要有管道自然补偿和伸缩节补偿，伸缩节又称为管道伸缩节、膨胀节、补偿器、伸缩器等。

管道自然补偿就是根据管道的布置形式，通过管道自身的调整来适应温度伸缩变形，一般在弯管段布置管道自身的空间自然补偿。空间自然补偿管段的补偿能力能否满足要求，可按如下公式进行判别：

上式中：DN为管道公称直径，单位mm；ΔL管道三个方向温度伸长量的向量和，单位cm，可按照式（3）进行计算；L为管段的展开长度，单位m；U为管段两固定点之间的直线距离，单位m，可按照式（4）进行计算；

上两式中：Δx、Δy、Δz为计算管段沿坐标轴x、y、z的温度变形量，单位cm；x、y、z为计算管段沿坐标轴x、y、z的长度，单位m。

管道伸缩节又分为矩形（方形）伸缩节、套管式伸缩节、波形伸缩节、球形伸缩节、可曲扰橡胶伸缩节以及卡箍式柔性伸缩接头等。矩形（方形）伸缩节由四个90°弯头组成，在动力管道设计中比较常用，根据尺寸不同，补偿量一般为30mm～250mm。套管式伸缩节又分为N-H型系列无推力伸缩节、GSJ型套管伸缩节、自调式套管伸缩节三种。N-H型系列无推力伸缩节适用于直埋、地沟、架空敷设管段上，适用介质温度t 450 ，适用压力 ，补偿量为200mm～400mm；GSJ型套管伸缩节适用介质温度40～400 ，适用压力 ，补偿量单节为200mm，双节为400mm；自调式套管伸缩节的特点是采用压紧弹簧自动压紧伸缩部分的密封材料，适用介质温度t 350 ，适用压力等级有1.6MPa和2.5MPa两个等级，补偿量为200mm～400mm。波形伸缩节的机构型式主要有三大类：轴向型、横向型以及角向型，最大补偿量在200mm以下，能够适应一定的角度偏移。球形伸缩节必须成对使用，用介质温度t 300 ，适用压力 ，全折屈角 。可曲扰橡胶伸缩节采用多层次连线结构，能同时伸长压缩和偏转位移，能适应温度变形与基础沉降，适用介质温度t -20 ～100 ，适用压力，补偿量为25mm以下。卡箍式柔性伸缩接头适用于多种介质，是各类传统柔性伸缩接头的替代品，用介质温度t 230 ，适用压力 ，其安装拆卸方便简单，允许3左右的轴向偏转，补偿量在40mm以下。以上所述各种伸缩节除卡箍式柔性伸缩接头与钢管采用焊接连接外，其它伸缩节均采用法兰连接。

根据实际工程经验，在尾矿管道输送工程中常用的伸缩节主要有钢制套管式伸缩节、波形伸缩节、可曲扰橡胶伸缩节、卡箍式柔性伸缩接头，由于除卡箍式柔性伸缩接头与钢管采用焊接连接外，其它伸缩节均采用法兰连接，因此，从理论上分析，除卡箍式柔性伸缩接头仅适用于钢管（包括高强钢管和耐磨钢管）外，其它尾矿输送管道工程中常用的伸缩节均可适用于各种不同的尾矿管材。为了进一步从实际应用上进行分析，根据表1计算的各种不同管材的温度伸缩量和各种类型伸缩节的补偿量，对100m长不同管材在通常情况所需伸缩节数量进行计算，其中钢制套管式伸缩节补偿量按200mm计，波形伸缩节补偿量按100mm计，可曲扰橡胶伸缩节补偿量按15mm计，卡箍式柔性伸缩接头补偿量按20mm计，计算中考虑1.5的安全系数，计算结果见表2。

表2 100m长不同管材所需伸缩节计算结果

根据表2计算结果，可曲扰橡胶伸缩节在尾矿输送钢骨架管、尼龙管、HDPE管中用量较大，同时尾矿输送管外部管线通常都采用焊接方式连接，由于安装伸缩节需要多次断开管道，配置对口法兰，材料费用与安装成本都较高，因此，在钢骨架管、尼龙管、HDPE管中采用可曲扰橡胶伸缩节经济性较差。波形伸缩节在100m长HDPE管中用量也超过10个，在实际工程中使用经济性也不太合理。

根据上述分析，对不同的尾矿输送管材与包括自然补偿的各种温度补偿方式的适应性进行分析汇总，汇总结果见表3。

表3 不同管材与各种温度补偿方式适应性分析结果

在尾矿输送过程中，由于钢骨架管、尼龙管、HDPE管在一般情况下无需做管道防腐处理，因此可以直接置于地表、半埋或者全面地下，更加适用于采用管道自然补偿方式。

4 结语

本文通过对不同尾矿输送管材温度伸缩量的计算，以及对不同管材与各种温度补偿方式的适应性分析，得出如下主要结论：

（1）不同的尾矿输送管材温度伸缩量相差较大，钢管比HDPE管温度伸缩量至少大10倍以上；

（2）采用钢制管材作为尾矿输送管时，直线段距离较长时可选用钢制套管式伸缩节与波形伸缩节进行温度补偿，在局部非直线段，角度偏转较大时可选用可曲扰橡胶伸缩节，经常需要拆卸检修的管段可选用卡箍式柔性伸缩接头，在弯管段也可采用管道自然补偿方式；

（3）采用钢骨架管、尼龙管以及HDPE管作为尾矿输送管时，可根据管道敷设方式优先采用管道自然补偿方式，当需要对管道两端进行固定时，可采用套管式伸缩节对管段进行温度补偿。

本文仅针对不同管材的温度补偿进行了粗略分析，有些问题尚需进一步深入研究，方能更好的指导工程实践。